Refroidissement LED Cree

[james31]

Bonsoir.

Dans ma petite expérimentation d'une led Cree Q5 j'ai du faire appel à mes légères notions de thermique vu à l'IUT mais j'ai un peu de mal.

J'essayais de voir si un radiateur était nécessaire ou pas pour cette LED quand j'ai commencé à me "mélanger les pinceaux."

Je pars de la puissance maximum de cette led, 1A sous 3.7V soit une puissance de 3.7W.
La datasheet donne une Junction Temperature de 80°C et une Thermal Resistance de 8°C/W.

Grâce à une formule de mes souvenirs (et vérifié sur le net) on a :
Tj = Ta + P x Rja
où Rja = Rjb + Rbr + Rra

avec Tj : température de jonction / Ta : température ambiante / P : puissance / Rja : résistance thermique jonction-air / Rjb : résistance thermique jonction-boitier / Rbr : résistance thermique boitier-radiateur / Rra : résistance thermique radiateur-air

Donc en partant de l'hypothèse de ne pas utiliser de radiateur, Rra = 0 et Rbr = 0 (c'est là que j'ai un doute ...)
Soit :
Tj = Ta + P x (Rjb + Rbr + Rra)
= 25 + 3.7 x (8 + 0 + 0)
= 54.6°C

Donc j'en tire la conclusion que même à l'utilisation pleine puissance de cette led, cette dernière ne dépasse jamais la température limite indiquée par la datasheet.
Je trouve ça pas normal du tout ....

Je me tourne donc vers vos lumières afin de m'indiquer mon erreur de compréhension !

Merci de votre aide.
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[DAUDET78]

Tambiante =25° ? tu es au pole Nord?
Il faut utiliser RthJonction_Ambiante pour le calcul sans radiateur ... et ce n'est pas 8°/W
Comme on n'a pas de lien sur la spécification de la LED..... on ne peut pas t'aider!

[james31]

Ta n'est pas la température de l'air qui se trouve tout au tour du radiateur dans cette équation ?

Voici le lien vers la datasheet de cette led :
datasheet Cree Q5

Il y a page 7 un graphique sur le "Thermal Design" mais je ne comprends pas très bien comme lire ce graphique.

[DAUDET78]

En dehors du fait que les paramètres de lumière diminuent en fonction de la température, la température maximum de la jonction, c'est 150° (et si on a moins c'est mieux!)
La Rth_Jonction_soudure est de 8°/W . donc pour une puissance de 3,7W dans la LED, il faut que la température mesurée sur la soudure soit inférieure à :
150°-8*3,7=120° .... reste à déterminer la résistance thermique entre la soudure et l'air ambiant .... ce qui, je pense, est "mission impossible". En effet, l'évacuation des calories est faites par le circuit imprimé et je ne pense pas qu'il y a des modèles mathématiques de ce genre de radiateur. Certains fabricants donnent des exemples de circuit imprimé avec des valeurs, pas le tien. La seul solution, laisser le maximum de cuivre et faire une mesure de la température sur la soudure.

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[james31]

Après relecture, j'ai trouvé comme toi la température maximale de jonction valant 150°C.

Merci de tes éclaircissements sur "la led sans radiateur".

A la fin de la datasheet, afin de conserver 70% de la puissance lumineuse pendant 50000 heures il est conseillé de faire en sorte que la température de jonction ne dépasse pas les 80°C.

Ainsi, en reprenant la formule afin de calculer le radiateur, on obtient :
Rra = (Tj - Ta) / P -Rjb - Rbr
Avec Ta = 20°C, Rjb = 8°C/W et Rbr 1°C/W (pâte thermique à base de silicone)
Rra = (80 - 25) / 3.7 - 8 - 1 = 5.87°C/W

Il me faudrait alors un radiateur ayant une résistance thermique max de environ 6°C/W pour maintenir la température de jonction de la led proche des 80°C.
Est-ce que mon raisonnement et mon calcul sont bon ?

[DAUDET78]

Rth_Jonction_Soudure+Rth_Soudu re_Ambiante= (80-25)/3,6
Donc Rth_Soudure_Ambiante =7,27°/W

1/ il n'y a pas de graisse silicone, la LED est soudée
2/ 25°, c'est trop peu .....

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[Loic 69]

LOL ...
Trop dur à comprendre ce problème , surtout avec ces sales équations , où je suis un gros nul qui traine son boulet derrière lui , mais je trouve néanmoins le sujet assez intéressant !!! je ne savais même pas qu'une LED pouvait avoir un radiateur !!!

[james31]

Dans mon cas, la led est directement soudé sur un support étoile, tel celui ci : star board connection.
Donc j'ai :
led -> star board -> silicone thermique -> radiateur

Donc pour l'ensemble led + starboard j'ai pris une résistance thermique de 8°C/W.

Pourquoi 25°C c'est trop peu pour l'air ambiant ? J'ai 20°C d'habitude dans la pièce où je travaille.

[DAUDET78]

Dans mon cas, la led est directement soudé sur un support étoile, ..... led -> star board -> silicone thermique -> radiateur

les informations arrive au compte-goutte

Donc pour l'ensemble led + starboard j'ai pris une résistance thermique de 8°C/W.

C'est pas idiot

Pourquoi 25°C c'est trop peu pour l'air ambiant ?

Tamb= température de l'air au voisinage du radiateur. Si tu as 20° dans ta pièce .... tu auras facilement 30° dans ta lampe.

[james31]

Merci DAUDET78 pour ces éclaircissements.

Une question dans la continuité : avec un radiateur DIY par exemple en aluminium ou en cuivre, comment puis-je faire pour calculer sa résistance thermique ?

J'ai retrouvé cette formule : Rth = L / (K x S)
avec L épaisseur en m, K conductivité du matériau, S surface en m²

Donc pour un cylindre de cuivre de rayon 1cm, de hauteur 2.5cm et une conductivité thermique du cuivre de 401 W/(m.K) on obtient :
Rth = 0.01 / (401 x pi x 0.025²) = 0.0127 K/W

Je trouve ce résultat bien petit ....

Est-ce que je me trompe dans l'utilisation de cette formule ?

[DAUDET78]

A priori ta formule donne la résistance thermique et doit être appliquée entre les deux faces planes de ton cylindre
Rth = 0.025 / (401 x pi x 0.005²) =
Que la valeur soit faible, cela ne m'étonne pas.
http://www.sonelec-musique.com/elect...ur_calcul.html
http://kudelsko.free.fr/articles/radiateurs2.htm

[james31]

Mmmm ..... je pense saisir mais quelque chose me semble toujours flou.

Avec ton calcul, on trouve une résistance thermique de 0.32 °K/W (la conductivité thermique du matériau étant donné en W/(m.K)).
Comment je convertis cette Rth en °C/W ?

Car si je prends cette valeur sans me soucier de sa grandeur physique, j'obtiens :
Tj = 30 + 3.7x(8+1+0.32) = 64.5 °C environ

Mon petit cylindre de cuivre serait mieux qu'un dissipateur ML24 ?

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[DAUDET78]

C'est la resistance thermique entre les faces planes du cylindre. L'autre face (celle qui n'a pas le ML24), elle est à quelle température ? certainement pas 30° !!
Ton adaptateur est indispensable pour faire le pont thermique entre la LED et le radiateur

[james31]

Je crois que je me suis mal fait comprendre par rapport à la led et l'adaptateur !

J'ai exactement cette led.
Par contre je ne connais pas la résistance thermale de cette adaptateur en étoile donc j'ai ramené le tout (led + star board) à 8°C/W.

J'essaie de dimensionner un radiateur fait maison à partir de cuivre ou d'aluminium. Donc je suis repartis des quelques formules de thermiques que je connaissais pour calculer tout ça.

Mais il semble que plusieurs point m'échappent !

En ce moment, c'est le paramètre Ta de l'équation Tj = Ta + P x Rja !

Ce n'est pas un paramètre fixe ? La température de l'air ?

[DAUDET78]

Donc l'étoile est déja fixée à la LED (on peux considéré Rth_Jonction_Etoile <> 8°/W

La Tambiante est variable et il faut prendre le cas pire. Exemple :
- un phare automobile.
- En plein soleil.
- Tambiante =60°.
- Tu fais un appel de phare, la LED crame.

Le calcul d'un radiateur est toujours approximatif pour avoir une idée. Ensuite, on mesure sur le proto.

[james31]

Merci de ton aide DAUDET78.

Comme mon projet est un simple luminaire de secours à base d'une led et pour une utilisation en intérieur, les extrêmes de températures sont de 17°C en hiver et 30°C en été !

Je ne pense pas utiliser la led à sa pleine puissance mais entre 0W et 3,1W et le plus souvent à mi-puissance (1.6W environ).

Le plus dur reste le dimensionnement du radiateur fait maison !

[DAUDET78]

Utilise un radiateur de ce genre

Que tu peux récupérer dans une TV à la casse ... et tu regardes la température sur l'étoile. Si c'est trop froid (quelle chance !), tu peux diminuer la taille

[james31]

Je reviens encore à propos de refroidissement de led ^^ !

Ma led est monté sur un radiateur du type que tu m'a indiqué DAUDET78.

Ma question est à propos du calcul de la résistance thermique d'un radiateur.

J'ai essayé de vérifier mes "compétences mathématiques" en calculant la résistance thermique d'un radiateur tout simple dont j'avais toutes les informations.

Mais bien sur mon résultat est très loin de ce que donne le constructeur !

J'utilise la formule : Rth = L / (K x S)

Les données constructeur :

C'est un simple U en aluminium 6060 de 25mm x 25 mm, épaisseur 2.5mm et de longueur 10cm.
La conductivité de l'aluminium 6060 et de 200 W/(m.K).
Sa résistance thermique approche les 5.9°C/W.

De mon coté, je trouve quelque chose approchant plus les 0.133°C/W

Quelqu'un pourrait m'aider à faire ce petit calcul ?

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[james31]

Auto-réponse après quelques heures de recherche :
Pour un simple solide, la formule que j'utilise dans mon post précédent est correcte; par contre pour un élément de géométrie plus complexe, c'est une tout autre formule !

La preuve, pour calculer la résistance thermique d'un radiateur à ailettes : calcul Rth dissipateur simple

C'est possible à calculer mais pas du tout facile !